混合连通式油气悬挂的仿真分析

混合连通式油气悬挂的仿真分析

油气悬浮液是故障弹簧的弹性元件，可以极大地改善车辆的行驶过程中的振动性能。对于混合使用独立悬挂和单侧连通式(油气弹簧)多轴平衡悬挂的某导弹运输发射车而言,其优势就更加明显:一方面连通式油气悬挂的多轴平衡特性可以大幅提高车辆行驶的平顺性;另一方面,单侧连通式油气悬挂针对车辆侧倾所表现出的并联特性又能较好地保证车辆的横向稳定性,最终达到车辆行驶平顺性和横向稳定性的高度统一。针对油气悬挂的设计和计算,国内外大都基于理想气体的绝热过程或多变过程来进行预估和分析,最终的计算结果与实际情况均有相当大的出入,尤其是在混合连通式油气悬挂多变过程特性的理论探讨及计算方面更为不足。本文基于传热学理论,在综合考虑气体在油液中的溶解效应的条件下建立了混合连通式油气悬挂的数学模型,同时还对某采用混合连通式油气悬挂的导弹运输发射车进行了系统振动建模,并在此基础上分析了该重型车辆的行车过载特性及其影响因素。2弹簧串之间的连接,将选择短管与短管两混合连通式油气悬挂由4个油气弹簧组成,4个油气弹簧的气室均通过输气管连通在一起,并且每个油气弹簧的气室和油液之间没有采取任何分隔措施。根据车辆轮轴的布置特性,前后油气弹簧的气室每两两用短管连接,且短管中间有1个三通转接头,而前后两组油气弹簧串之间则采用长管直接连通两三通转接头而予以连接。具体结构示意见图1。2.1dqdrdt的计算由于油气悬挂的连通特性,每一油气弹簧的气室均可视为开口腔室。根据热力学第1定律,气室内气体内能的变化可表示为如下形式:dUdt=∑m˙ihi+dQdt−dWdt(1)dUdt=∑m˙ihi+dQdt-dWdt(1)式中m˙m˙ihi为i口处的焓流率;dQdt=KA(Text−T)dQdt=ΚA(Τext-Τ)为传入系统的热流率;K为气体对外的传热系数;A为气室对外的传热面积;Text为外部环境的温度;T为气室气体温度;dWdt=−PdVdtdWdt=-ΡdVdt为系统对外所做的功。对于完整气体,其内能是气体质量和温度的函数,即V=mCvT将此式代入式(1),可得:dTdt=1m(1Cv∑im˙ihi−∑im˙iT)−PmCvdVdt+1mCvdQdt(2)dΤdt=1m(1Cv∑im˙ihi-∑im˙iΤ)-ΡmCvdVdt+1mCvdQdt(2)另对理想气体状态方程PV=mRT,两边同时求导得:VdPdt=−PdVdt+mRdTdt+RTm˙(3)VdΡdt=-ΡdVdt+mRdΤdt+RΤm˙(3)式(2),(3)即为油气弹簧气室的状态描述方程。2.2连通管直径及密度连通管具有一定容积,它在油气弹簧工作期间始终能容纳一定气体,且容纳的气体质量与油气弹簧的状态有关。考虑到试验结果中各连通气室的压差较小,因此,本文就将连通管的容积等效到了连通气室,而把连通管假想为只有阻尼的小孔进行考虑,其阻尼为沿程阻尼和局部阻尼之和。其中,沿程压降ΔPy和局部压降ΔPj分别为ΔPy=fL2Dρ(m˙iA0)2‚ΔPy=2Kjρ(m˙iA0)2(4)ΔΡy=fL2Dρ(m˙iA0)2‚ΔΡy=2Κjρ(m˙iA0)2(4)式中D为连通管直径;f为沿程阻尼系数;Kj为局部阻尼系数;L为连通管长度;m˙m˙i为气体的质量流量;A0为连通管截面面积;ρ为气体密度。因此,全程压降为ΔP=ΔPy+ΔPj,由此可知连通管质量流量为m˙i=sign(ΔP)A0|ΔP|/(fL2Dρ+2Kρ)−−−−−−−−−−−−−−√(5)m˙i=sign(ΔΡ)A0|ΔΡ|/(fL2Dρ+2Κρ)(5)2.3气体在一定程度下的溶解度由于气体与油液直接接触,在油气弹簧的工作过程中油气之间必定会存在相互作用,其中最重要的作用就是气体在油液中的溶解效应。实验过程中这种溶解效应表现十分明显:在对油气弹簧充气时,当压强上升到一定程度之后,只要适当晃动油气弹簧几下,气室气体的压强就会开始下降,而降到一定值之后就保持稳定了。这明显排除了泄露的可能,究其原因只能是气体的溶解。亨利定律表明,气体在已知液体中的溶解度与溶液上方的气体压强成正比,而气体的溶解度通常定义为单位大气压下所溶解的气体量折算成标准大气压和温度状态下的体积占原有液体体积的百分数。这里的油液和气体均处于封闭系统之中,从而可知气体在油液中的溶解量(质量)为mr=CrP,两边求导可知:m˙r=CrdPdtm˙r=CrdΡdt。气体在油液中溶解效应的最终表现就相当于适量减少了气室中的气体量。2.4阻尼特性分析本文中油气弹簧的阻尼主要依靠油液通过下缸体上的两个节流小孔对环形腔充放油产生,当弹簧受到压缩时,环形腔的容积增大,油液通过常通孔和单向阀小孔流入环形腔,此时产生的阻尼力较小;当弹簧伸张时,环形腔体积减小,此时单向阀被钢球封住,环形腔的油液只能通过常通孔流入内缸,因此阻尼加大。无论油气弹簧处于何种状态,本文均假设环形腔油液均处于充满状态。在此将阻尼孔视为薄壁小孔,因此其阻尼特性为ΔPd=sign(Qh)ρd2|Qh|1.7C2dA2d(6)ΔΡd=sign(Qh)ρd2|Qh|1.7Cd2Ad2(6)式中ΔPd为内缸和环形腔之间的压力差;Ad为阻尼孔的面积;Cd为小孔的流量系数;Qh=π4(D2c−d2c)X˙Qh=π4(Dc2-dc2)X˙为通过阻尼小孔的液体体积流量;Dc,dc分别为环形腔内外环直径;X为油气弹簧的行程;ρd为液体密度。另考虑到环形腔充放油的影响,各气室气柱的实际高度与油气弹簧的行程之间的关系为Hi=H0+D2d2Xi‚i=1,2,3,4Ηi=Η0+D2d2Xi‚i=1,2,3,4根据油气悬挂的实际特征将上述各模块的描述方程进行联立,最终可得到混合连通式油气弹簧的微分方程描述形式。3车辆的整体模型某导弹运输发射车由牵引车和半挂车两部分组成。其中牵引车有4轴,前两轴与后两轴分别由二轴平衡的钢板弹簧与牵引车相连。牵引车与半挂车在鞍座A处挂接,半挂车也有4轴,其4轴由四轴平衡的混合连通式油气悬挂与半挂车相连。导弹及发射筒安放在半挂车之上,发射筒在D处与半挂车相铰接,前端安放在B位置处的托座上,而在C处则由一碟簧支撑。为进行系统建模,本文取全车一侧作振动模型,其中,牵引车、发射筒简化为了刚体;由于半挂车前两轴与后两轴之间的跨度较大,为体现半挂车自身刚度的影响,本文将半挂车在碟簧位置处截为两段,两段之间的连接形式为铰接并附加有一扭转弹簧,弹簧的刚度就是半挂车车体的抗弯刚度;半挂车4个非悬挂质量均按只有垂直自由度的质点予以考虑;同时还将牵引车的前两轴和后两轴分别等效为了弹簧阻尼元件。最终全系统就简化成了八自由度的平面多体振动模型(见图2所示)。具体振动的数学模型请参阅文献,只要将前面混合连通式油气弹簧的模型嵌入振动方程就可进行联立求解。4初始气柱高度对车辆振动的影响针对该重型车辆的振动模拟,本文选择了3种路面工况:a)过60mm高、400mm长的等腰三角形凸块,车速为15km/h;b)过四级路面,车速为25km/h;c)过二级路面,车速为25km/h。随机路面的生成采用了伪白噪声法,半挂车上参考点的模拟结果见表1。从表中不难发现:不管是测试值还是仿真结果,无论是何种路面,半挂车上鞍座处的过载均比回转轴处的过载要大将近1倍。这充分说明混合连通式油气悬挂对减缓挂车尾部振动的作用是十分明显的。另外,对比该重型车辆过单凸时五、八气室的压强时间历程(见图3)可以看出,两气室压强差异是非常明显的,这也从另一方面说明了若不计及连通气室之间的压差,可能会在仿真过程中引入相应的误差。为探讨半挂车车身刚度对全车振动性能的影响,在变化车身刚度的条件下模拟了车辆在四级路况时的振动性能,结果(见图4)表明,车身刚度越大,混合连通式油气悬挂的减振效果越好。事实上,混合连通式油气悬挂系统的刚度与气室初始气柱的高度是密切相关的。通常情况是初始气柱高度越大,油气弹簧的刚度越小,悬挂系统则具有更好的减振性能,车辆的行车动态性能就更好,图5中针对初始气柱高度的模拟结果充分证明了这一点。但增大气柱高度会使车辆的重心升高,从而降低车辆的稳定性,因此,在实际应用时应综合考虑两种效果的折中。另外,本文还模拟了不同连通管管径时全车系统的振动情况(结果见图6),从图中可以看出,连通管管径越大,车辆行驶越平稳。究其原因主要有二:a)连通管的容积效应,管径加大与增大初始气柱高度等效;b)管径加大,气室间气体串动的阻尼减小,各轴气室间的压差更小,各轴载荷更平衡,从而车辆行驶更平稳。随着油气弹簧初始气柱高度及连通管管径的增大,车辆平顺性能得到改善,但工程实际中不可能无限制地增大初始气柱高度及连通管管径,当在工程范围内确定了最大初始气柱高及连通管管径后,尚可通过阻尼孔的适当匹配来进一步改善车辆性能,基于此思路,本文又针对两阻尼孔孔径的变化进行了仿真计算,计算结果见图7～9。从图中可以看出单向阻尼孔和常通阻尼孔孔径的变化在一定范围内确实可起到减小车辆振动的效果,并且在单向阻尼孔孔径固定的前提下,车辆振动的过载量针对常通孔孔径具有明显的峰值。5混合连